(57)【要約】【課題】可視光領域から紫外光領域まで連続スペクトルを持った光を発生する光半導体装置を提供する。【解決手段】オーミックコンタクト電極５に接続されたｐ型のシリコンカーバイド層３とシリコンカーバイド基板１を介してオーミックコンタクト電極４に接続されたｎ型のシリコンカーバイドエピタキシャル層３とをワイドギャップ半導体により形成し、且つｐ層３とｎ層２でｐｎ接合界面を形成するとき、そのｐｎ接合界面の一部を半導体表面に露出させ、且つｐ層３の不純物濃度勾配を半導体表面の側が最大濃度となり奥になるほど低い濃度となるように設定する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極に接続されたｐ層と第２の電極に接続されたｎ層をワイドギャップ半導体により形成し、且つ前記ｐ層と前記ｎ層でｐｎ接合界面を形成した光半導体装置において、
前記ｐｎ接合界面の一部を半導体表面に露出させ、且つ前記ｐｎ接合界面のｐ層又はｎ層の少なくとも一方の不純物濃度勾配を前記半導体表面の側が最大濃度となり深くなるほど低い濃度となるように設定し、前記ｐ層および前記ｎ層に逆バイアス電圧が印加され、発光することを特徴とする光半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光半導体装置において、
前記半導体表面に露出する前記ｐｎ接合界面は、前記半導体表面全体に配置されていることを特徴とする光半導体装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の光半導体装置において、
少なくとも前記半導体表面における前記第１又は第２の電極を除く部分を紫外線透過材料からなる保護膜で被覆したことを特徴とする光半導体装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１つに記載の光半導体装置において、
前記ワイドギャップ半導体は、シリコンカーバイド、窒化ガリウム、又はダイヤモンドであることを特徴とする光半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコンカーバイド等のワイドギャップ半導体装置を使用した光半導体装置に係り、特に、可視光領域から紫外光領域に亘る連続スペクトル成分をもつ光を発生する光半導体装置に関するものである。
【０００２】
光半導体装置は価電子帯の正孔と伝導帯の電子が再結合したときに放出される光を利用する半導体装置である。赤外光を発生する光半導体装置はリモコンに、可視光を発生する光半導体装置は表示装置に、さらに短波長の光を発生する光半導体装置は高密度光記録デバイスや検査装置の光源に、それぞれ広く活用されている。
【０００３】
このような光半導体装置はｎ型とｐ型の半導体接合から構成され、そのｐｎ接合界面に順方向電圧を印加することで、そのｐｎ接合面においてｎ型から拡散してくる伝導帯の電子とｐ型の価電子帯から拡散してくる正孔とを再結合させて、この時失われるエネルギーが光として放出されるときのその光を利用するものである。
【０００４】
このとき発生する光の波長は使用する半導体のバンドギャップの大きさで決まることが知られていて、次の式
λ＝１．２４μｍ／Ｅｇ                            （１）
で表される。ここでλは波長、Ｅｇは半導体のバンドギャップを示す。この式（１）から、バンドギャップＥｇが大きいワイドギャップ半導体からは、波長の短い光が得られることがわかる。
【０００５】
このような波長の短い光の光源は、殺菌装置、半導体リソグラフィー、半導体検査装置の光源として需要が増している。そのため、短波長の発光素子をつくるために、バンドギャップの大きい半導体を使った光半導体装置の開発が盛んに行われている。
【０００６】
例えば、シリコンカーバイドはバンドギャップが４Ｈで３．２６ｅＶ、６Ｈで３．０２ｅＶであるため、上式（１）からそれぞれ３７８ｎｍ、４０８ｎｍと短波長の光を放出できることが有望視されていた。松下らは６Ｈのシリコンカーバイド基板上に液相成長によりシリコンカーバイドのｐｎ接合を形成し、４７０ｎｍ付近にピークを持つ発光が得られることを報告している（非特許文献１）。
【０００７】
また、近年ＧａＮを使った光半導体が注目されているが、そのバンドギャップも３．３９ｅＶとシリコンカーバイドと同程度であり、その発光波長はピークが４３０ｎｍである（非特許文献２）。
【０００８】
さらに、バンドギャップの大きな半導体材料として、ダイヤモンド（Ｅｇ＝５．４７ｅＶ）が有望視されている。ダイヤモンドにボロンを高濃度に添加したｐ型基板に、硫黄を添加したｎ型のダイヤモンドを気相成長（ＣＶＤ）により成長してｐｎ接合を形成し、エレクトロルミネッセンス測定によりバンドギャップ５．４７ｅＶに相当する微弱な光が発生することが確認されている（非特許文献３）。
【０００９】
また、現在では、半導体リソグラフィーや殺菌装置などには、可視光領域から紫外光領域まで連続スペクトルをもつ光源として放電管（ハロゲン・重水素ランプやエキシマレーザ等）が用いられている。放電管は、石英の内部に対向した電極と不活性ガスとを充填して密閉した構造をしており、この対向した電極に電圧を印加させることにより放電を発生させ、このとき不活性ガス（例えばキセノン）の励起された電子が基底状態に遷移するときに失うエネルギーが光として放出される。この放電管により発生した光は、２００ｎｍ〜２μｍと広い範囲の波長スペクトルをもつ。
【００１０】
【非特許文献１】松下他著、「オフオリエンント基板を使用したシリコンカーバイド青色ＬＥＤの製作」、ＪＪＡＰ、第２９巻、第２号、Ｌ３４３−Ｌ３４５頁、１９９０年（Ｙ．Ｍａｔｓｕｓｈｉｔａ，ｅｔ  ａｌ．，  ”Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  ＳｉＣ  Ｂｌｕｅ  ＬＥＤｓ  Ｕｓｉｎｇ  Ｏｆｆ−Ｏｒｉｅｎｔｅｄ  Ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ”ＪＡＰＡＮＥＳＥ  ＪＯＵＲＮＡＬ  ＯＦ  ＡＰＰＬＩＥＤ  ＰＨＹＳＩＣＳ  Ｖｏｌ．２９，Ｎｏ．２，１９９０，ｐｐＬ３４３−Ｌ３４５）
【非特許文献２】中村他著、「高出力ＧａＮのｐｎ接合青色発光ダイオード」、ＪＪＡＰ、第３０巻、第１２Ａ号、Ｌ１９９８−Ｌ２００１頁、１９９１年（Ｓ．Ｎａｋａｍｕｒａ，ｅｔ  ａｌ．，  ”Ｈｉｇｈ−Ｐｏｗｅｒ  ＧａＮ  Ｐ−Ｎ  Ｊｕｎｃｔｉｏｎ  Ｂｌｕｅ−Ｌｉｇｈｔ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅｓ”  ＪＡＰＡＮＥＳＥ  ＪＯＵＲＮＡＬ  ＯＦ  ＡＰＰＬＩＥＤ  ＰＨＹＳＩＣＳ  Ｖｏｌ．３０，Ｎｏ．１２Ａ，１９９１，ｐｐＬ１９９８−Ｌ２００１）
【非特許文献３】堀内著、「ダイヤモンド紫外線発光素子」、応用物理、第７０巻、第１１号、１３１７−１３２０頁，２００１年。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のような光半導体装置では、バンドギャップ以上のエネルギーをもった光、すなわち、より波長の短い光を得ることができず、可視光領域から紫外光領域まで連続スペクトルを持つ光を得ることができなかった。また、放電管を使ったハロゲン・重水素ランプやエキシマレーザ等の光源は、危険、大型、高価、低効率などの問題があった。
【００１２】
本発明は上記問題を解決し、可視光領域から紫外光領域まで連続スペクトルを持った光を発生する光半導体装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１にかかる発明は、第１の電極に接続されたｐ層と第２の電極に接続されたｎ層をワイドギャップ半導体により形成し、且つ前記ｐ層と前記ｎ層でｐｎ接合界面を形成した光半導体装置において、前記ｐｎ接合界面の一部を半導体表面に露出させ、且つ前記ｐｎ接合界面のｐ層又はｎ層の少なくとも一方の不純物濃度勾配を前記半導体表面の側が最大濃度となり深くなるほど低い濃度となるように設定し、前記ｐ層および前記ｎ層に逆バイアス電圧が印加され、発光することを特徴とする光半導体装置とした。
【００１４】
請求項２にかかる発明は、請求項１に記載の光半導体装置において、前記半導体表面に露出する前記ｐｎ接合界面は、前記半導体表面全体に配置されていることを特徴とする光半導体装置とした。
【００１５】
請求項３にかかる発明は、請求項１又は２に記載の光半導体装置において、少なくとも前記半導体表面における前記第１又は第２の電極を除く部分を紫外線透過材料からなる保護膜で被覆したことを特徴とする光半導体装置とした。
【００１６】
請求項４にかかる発明は、請求項１乃至３のいずれか１つに記載の光半導体装置において、前記ワイドギャップ半導体は、シリコンカーバイド、窒化ガリウム、又はダイヤモンドであることを特徴とする光半導体装置とした。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の光半導体装置では、ワイドバンドギャップの半導体からなるｐｎ接合界面に逆バイアス電圧を印加して電子なだれを起こさせ、そのとき生成するキャリアの電子と正孔の再結合による発光を半導体装置表面で生じさせることにより、可視光領域から紫外光領域にわたって連続スペクトルをもつ光を発生させる。
【００１８】
ｎ型のワイドバンドギャップ半導体と同じワイドバンドギャップ半導体のｐ型から成るｐｎ接合を、エピタキシャル成長または化学気相成長により形成し、ｎ型層とｐ型層にそれぞれ電流を流すためのオーミックコンタクト電極を形成し、ｐ型層側に負の電圧をｎ型層側に正の電圧を印加、つまり逆バイアス電圧を印加すると、ｐｎ接合界面部分には空乏層が形成され、キャリアが存在できなくなる。そのため、そのままでは電流は流れない。
【００１９】
しかし、さらに逆バイアス電圧を大きくすれば、ｐｎ接合界面から離れた半導体内部のキャリアの一部が電界に加速され、大きなエネルギーをもって空乏層へ流れ込みむようになり、このキャリアが格子原子と衝突してその結合手を切って電子−正孔対を作る。これを衝突電離と呼ぶが、この新しく生成した電子と正孔は、電界からエネルギーをもらい更に別の電子−正孔対を作る。この現象が繰り返し起こる過程をなだれ増倍と呼ぶ。
【００２０】
このなだれ増倍が起きるときに発光が観測される。そのメカニズムとして、これら生成した電子−正孔対が、走行中に再結合するときに失ったエネルギーを光として放出したり、加速されたキャリアが急速に減速を受けたときに失ったエネルギーを光として放出したりすることがシリコンの研究などで知られている。
【００２１】
このなだれ増倍の発生時には、実験的にｐｎ接合を形成する半導体のバンドギャップの３倍弱のバンドギャプに相当する波長範囲の発光が確認されている。このような発光現象を半導体の表面側で生じさせることで、ワイドバンドギャップ半導体自身による吸収を抑えつつ、可視光領域から紫外光領域まで連続な波長成分を持つ強い光を取り出すことができる。以下、詳しく説明する。
【００２２】
［第１の実施形態］
図１はワイドバンドギャップの半導体材料としてシリコンカーバイドを使用して製作した本発明の第１の実施形態の発光ダイオードを示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線断面図、（ｃ）はｐ型のシリコンカーバイド層の不純物濃度分布図である。
【００２３】
図１において、１はｎ型のシリコンカーバイド基板、２は不純物濃度が１×１０１７／ｃｍ３、厚さが２．５μｍの低濃度ｎ型のシリコンカーバイドエピタキシャル層、３は表面の最大不純物濃度が１×１０２０／ｃｍ３、厚さが０．２ｎｍの高濃度ｐ型のシリコンカーバイドの層、４、５はオーミックコンタクト電極、６は素子分離用の高抵抗層、７はｐｎ接合界面である。
【００２４】
高濃度ｐ型のシリコンカーバイド層３はｎ型のエピタキシャル層２に対するイオン注入法により形成され、図１（ｃ）に示すように表面で最大の不純物濃度をもち、半導体内部のｎ型のエピタキシャル層２に向けてその不純物濃度が低下するよう濃度分布が設定されている。また、このｐ型のシリコンカーバイド層３は、表面形状が櫛歯形状となるように形成されているが、逆方向バイアス電圧が印加されたときに空乏層がぶつからないように、櫛歯形状に対応する部分が互いに５μｍ程度離して形成されている。また、局部的な電界集中を避けるために、ｐ層パターンの各コーナーは、曲率をもつ構造とする。高抵抗層６はバナジウムを注入することによりアモルファスの素子分離用として形成される。オーミックコンタクト電極４はｎ型のシリコンカーバイド基板１に、オーミックコンタクト電極５はｐ型のシリコンカーバイド層３にそれぞれ形成される。ｐｎ接合界面７は、図１（ａ）に点線で示すように平面形状が櫛歯形状に曲折しているが、これはその全長を長くし、シリコンカーバイド基板表面全体にｐｎ接合を配置するためであり、オーミックコンタクト電極５はこのｐｎ接合界面７が露出するように、ｐ型のシリコンカーバイド層３上に形成されている。
【００２５】
このように形成したシリコンカーバイド発光ダイオードに対して、ｎ型のシリコンカーバイド基板１がアース電位、ｐ型のシリコンカーバイド層３が負電位となるようオーミックコンタクト電極４，５間に電圧を印加すると、そのｐｎ接合界面７には逆方向のバイアス電圧が印加する。このときｐｎ接合界面７において、特にｐ型のシリコンカーバイド層３の不純物濃度が最大である表面に電界が集中する。
【００２６】
印加電圧が小さい範囲では、ｐｎ接合界面近傍では空乏層が広がるため自由キャリアが存在せず、電流は流れることができない。しかし、さらに電圧を加えていくと、前記した衝突電離により電子−正孔対が作られ、この新しく生成した電子と正孔は、電界からエネルギーをもらい更に別の電子−正孔対を作り、前記したなだれ増倍の現象が発生する。
【００２７】
このなだれ増倍で生成した電子−正孔対の中には、走行中に再結合するものもあり、そのときにバンドギャップに対応した光を放出する。また、加速されたキャリアが急激に減速を受け、この時に失ったエネルギーを光として放出する。これを制動輻射と呼ぶ。実験的にはバンドギャップの３倍程度のバンドギャップに相当する波長範囲の発光が認められている（参考文献１：Ａ．Ｇ．チノウエス、Ｋ．Ｇ．マッケイ著、「シリコン内のアバランシェブレークダウンによる光放射」、フィジカルレビュー、第１０２巻、第２号、３６９−３７６頁、１９５６年（Ａ．Ｇ．Ｃｈｙｎｏｗｅｔｈ  ａｎｄ  Ｋ．Ｇ  Ｍｃｋａｙ，  ”Ｐｈｏｔｏｎ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  ｆｒｏｍ  Ａｖａｌａｎｃｈｅ  Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ  ｉｎ  Ｓｉｌｌｉｃｏｎ”  ＰＨＹＳＩＣＡＬ  ＲＥＶＩＥＷ  Ｖｏｌ．１０２，Ｎｏ．２，ｐｐ．３６９−３７６，１９５６））。
【００２８】
このことからこのシリコンカーバイド発光ダイオードでは、４Ｈのバンドギャップが３．２６ｅＶであるため、３８０ｎｍから１２６ｎｍに亘り連続した波長の光を取り出すことができる。この発光は、ｐ型のシリコンカーバイド層３の不純物濃度が最大である表面近傍で起きるため、シリコンカーバイド自信による光の吸収が少なくなり、紫外光領域までの短波長の光を放出することができる。
【００２９】
図５はｐｎ接合界面の半導体表面で発光が起こるようにｐ型のシリコンカーバイド層３の濃度勾配を図１（ｃ）に示すように設定した場合の発光の様子を示す特性図である。なお、発光ダイオード表面の光を光ファイバで測定装置に取り込んで分光分析測定したので、光ファイバによる損失も含んでいる。また、測定装置の波長測定検出限界が２５０ｎｍであったので、２５０ｎｍ以下ではノイズが顕著となっている。
【００３０】
［第２の実施形態］
図２は第２の実施形態のシリコンカーバイド発光ダイオードを示す断面図である。この実施形態では、シリコンカーバイド発光ダイオードの表面を保護する目的で、紫外線を透過するサファイア、フッ化カルシウム、フッ化マグネシウム等の紫外線透過材料からなる保護膜８をスパッタリングによって形成する。この場合、ｐｎ接合界面７の表面側が保護膜８によって覆われるため、波長１００ｎｍ以下の短波長の光はこれらの保護膜８によって吸収されるが、それ以上の波長で使用する場合には影響なく、むしろ半導体の安定化のために有効である。
【００３１】
［第３の実施形態］
図３は第３の実施形態のシリコンカーバイド発光ダイオードを示す図である。前記の第１および第２の実施形態のシリコンカーバイド発光ダイオードでは、ｐｎ接合として、図１（ｃ）の濃度勾配が設定された高濃度ｐ型のシリコンカーバイド層３と低濃度ｎ型のシリコンカーバイドエピタキシャル層２のｐｎ接合を用いる方法を述べたが、低濃度ｎ型のシリコンカーバイドエピタキシャル層２に代えて、図３に示すように、高濃度ｎ型のシリコンカーバイドエピタキシャル層２Ａを使用してシリコンカーバイド発光ダイオードを形成してもよい。
【００３２】
このように低濃度ｎ型のシリコンカーバイド層２の代わり高濃度ｎ型のシリコンカーバイドエピタキシャル層２Ａを使うと、その高濃度ｎ型のシリコンカーバイドエピタキシャル層２Ａ側への空乏層の幅が短くなるので、図１に示した構造よりも、ｐｎ接合界面７の櫛歯形状の間隔を狭くでき、電極の密度を大きくしてそのｐｎ接合界面７の全長を長くし、シリコンカーバイド発光ダイオードの輝度をより大きくすることができる。
【００３３】
また、オーミックコンタクト電極４を表面側に形成することもできる。この場合も、オーミックコンタクト電極４はｐｎ接合界面７を覆わないように形成する必要がある。
【００３４】
さらに、高濃度ｎ型シリコンカーバイド層２Ａの濃度をより大きくすることで、なだれ増倍を発生させる電圧が小さくできるため、動作電圧を小さくすることもできる。
【００３５】
［第４の実施形態］
図４は第４の実施形態のシリコンカーバイド発光ダイオードの表面部分を示す図である。ここでは、表面形状が櫛歯形状のｐｎ接合界面７の各歯の部分を波形状にすることにより、そのｐｎ接合界面７の全長をより長くしている。このようにすることで、発光領域が長くなるので線形状の発光部分を面形状の発光（面発光）に近づけることができ、シリコンカーバイド発光ダイオードの輝度を向上させることができる。この場合、ｐ型のシリコンカーバイド層３上に形成されるオーミックコンタクト電極５もｐｎ接合界面７の形状に合わせて、そのｐｎ接合界面７を覆わない程度の波形状にする。
【００３６】
［その他の実施形態］
これまで説明したシリコンカーバイド発光ダイオードの素子構造では、シリコンカーバイド基板１とシリコンカーバイドエピタキシャル層２，２Ａをｎ型層に、シリコンカーバイド層３をｐ型層にしていたが、このｐ型とｎ型を逆にしても全く同様に動作することは言うまでもない。
【００３７】
また、表面側が最高濃度となるように濃度勾配を設定するのは、ｐ型層ではなくｎ型層であっても良く、ｐｎ接合界面を形成するｐ型層、ｎ型層の少なくとも一方に上記の濃度勾配を設定すればよい。
【００３８】
さらに、ここでは、半導体材料としてシリコンカーバイドを用いてシリコンカーバイド発光ダイオードを作成した例を説明したが、窒化ガリウム、ダイヤモンドなどの他のワイドバンドギャップ半導体を用いることもできることは言うまでもない。
【００３９】
さらに、ｐｎ接合界面の表面形状は櫛歯形状に限られるものではなく、全長が長くなる形状であればどのような形状であってもよく、面発光となるように配置すればよい。
【００４０】
【発明の効果】
以上から本発明の光半導体装置によれば、ワイドギャップ半導体によるｐｎ接合界面の半導体表面側においてなだれ増倍により発光を引き起こさせることができるので、可視光領域から紫外光領域の広い波長範囲にわたって連続波長の光を放出することができる。このような短波長領域で連続スペクトルをもつ光半導体装置は、放電管が使用されている半導体フォトリソグラフィー、半導体検査装置、各種分析装置、樹脂硬化装置、消毒滅菌装置等への応用が期待される。これにより、小型、軽量で低価格な装置の開発が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態のシリコンカーバイド発光ダイオードを示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線断面図、（ｃ）はｐ型のシリコンカーバイド層３の不純物濃度分布特性図である。
【図２】第２の実施形態のシリコンカーバイド発光ダイオードの断面図である。
【図３】第３の実施形態のシリコンカーバイド発光ダイオードを示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線断面図である。
【図４】第４の実施形態のシリコンカーバイド発光ダイオードの平面図である。
【図５】シリコンカーバイド発光ダイオードのｐｎ接合界面での発光の特性図である。
【符号の説明】
１：シリコンカーバイド基板
２：シリコンカーバイドエピタキシャル層
２Ａ：シリコンカーバイドエピタキシャル層
３：シリコンカーバイド層
４：オーミックコンタクト電極
５：オーミックコンタクト電極
６：高抵抗層
７：ｐｎ接合界面
８：紫外線透過材料からなる保護膜
【図１】
2005019840.tif 000003
【図２】
2005019840.tif 000004
【図３】
2005019840.tif 000005
【図４】
2005019840.tif 000006
【図５】
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